王宣宇

WANG Xuan-yu

（河南洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司，洛陽 471542）

0 引言

設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)以現(xiàn)代科學(xué)中的系統(tǒng)論、控制論、可靠性理論、失效性理論為基礎(chǔ)，以傳感器、計算機(jī)等為技術(shù)手段結(jié)合監(jiān)測對象的特殊性，有針對地對各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，對設(shè)備狀態(tài)做出實時評價，對故障提前預(yù)報并做出診斷，減少停機(jī)或避免事故擴(kuò)大化，使企業(yè)對設(shè)備的維修管理從計劃性維修、事故性維修過渡到以狀態(tài)監(jiān)測為基礎(chǔ)的預(yù)防性維修，提高企業(yè)設(shè)備管理現(xiàn)代化水平，創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)效益[1,2]。水環(huán)真空泵為選礦廠過藥車間的關(guān)鍵設(shè)備，真空泵由泵體、葉輪、軸、側(cè)蓋、分配器等零件構(gòu)成。為了及時進(jìn)行故障預(yù)報、及早做出診斷，因此把自動在線監(jiān)測方式的設(shè)備監(jiān)測方式應(yīng)用到水環(huán)式真空泵運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測中是十分必要和可行的。

1 振動診斷技術(shù)概述

振動診斷在設(shè)備中，或基本上不拆遷中的所有設(shè)備，測試設(shè)備，振動信號，運(yùn)行和控制設(shè)備的情況下應(yīng)用十分廣泛，該技術(shù)是目前運(yùn)行的狀態(tài)，都未能確定位置，原因及預(yù)測未來技術(shù)的預(yù)測。它具有以下特點：1）設(shè)備的操作同步振動信號，故障信息可以在振動信號中。2）容易實現(xiàn)在線監(jiān)測和診斷。3）作為高故障率增加振動的跡象，失敗常見的癥狀有明顯的振動特性，易于識別。4）檢測手段，方法，理論已經(jīng)比較成熟。5）該方法簡單，操作方便，投資少。

監(jiān)測點的選擇應(yīng)以科學(xué)的那些最能夠運(yùn)行的測量點設(shè)備狀態(tài)的設(shè)備作出全面介紹振動的真實反映。一般應(yīng)在環(huán)繞及其外部，以及互相垂直在三個方向上，選擇一個測試點，在機(jī)器振動敏感點進(jìn)行選擇。該測量點的數(shù)量可以反映機(jī)器的主要上線運(yùn)行。測量下列一般原則為基礎(chǔ)點的選擇[3]：1）機(jī)械振動敏感點，機(jī)器距離最近的臨界點的核心部件，容易出現(xiàn)退化的薄弱環(huán)節(jié)。2）機(jī)器的支點剛度等為基礎(chǔ)，軸承等。3）大型設(shè)備的測試點選擇的設(shè)備應(yīng)能反映所有狀況，在設(shè)備的前，后，上，下，左，右，中間應(yīng)該有一個測點。4）選定測試點應(yīng)注意的環(huán)境。如果振動，高溫，高壓點，出風(fēng)口源等。

2 真空泵在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軸承振動對軸承的損傷很敏感，例如剝落、壓痕、銹蝕、裂紋、磨損等都會在軸承振動測量中反映出來，所以，通過采用特殊的軸承振動測量器（頻率分析器等）可測量出振動的大小，測得的數(shù)值因軸承的使用條件或傳感器安裝位置等而不同。通常，軸承的溫度隨著軸承運(yùn)轉(zhuǎn)開始慢慢上升，1.2小時后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。軸承的正常溫度因機(jī)器的熱容量，散熱量，轉(zhuǎn)速及負(fù)載而不同。如果潤滑、安裝不合適，則軸承溫度會急驟上升，會出現(xiàn)異常高溫，這時必須停止運(yùn)轉(zhuǎn)，采取必要的防范措施[4]。

2.1 監(jiān)測測點選擇

至于皮帶驅(qū)動方式，振動測試主要是在側(cè)面和軸承振動，具體的測量點選擇：驅(qū)動側(cè)的圓柱滾子軸承水平振動和垂直振動，非驅(qū)動側(cè)的振動水平圓柱滾子軸承，垂直振動；驅(qū)動側(cè)的圓柱滾子軸承溫度；非驅(qū)動端圓柱滾子軸承溫度；軸的軸向位移。

真空泵從長期運(yùn)行過程中來看，由于葉輪積灰，軸承失效和真空泵振動較大，嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)。因此，振動測量在振動敏感地點進(jìn)行選擇。真空泵傳動側(cè)、非傳動側(cè)滾動軸承的水平振動、垂直振動信號，選用磁電式振動速度傳感器拾取，軸位移由電渦流傳感器測量。

2.2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

基于上述分析，為了使得整個系統(tǒng)得到可靠、穩(wěn)定以及具有可擴(kuò)展性的要求，提出系統(tǒng)的整體設(shè)計方案如圖1所示。其中主要包括兩個模塊。模塊一主要包括：利用EN3 800內(nèi)集成的現(xiàn)場信號進(jìn)行預(yù)處理、A/D轉(zhuǎn)換功能，同時把從傳感器拾取的振動信號，通過接到EN3 800后背板上的接線端子上進(jìn)行處理，這樣不僅僅簡化系統(tǒng)體積，同時也使得整個系統(tǒng)測量過程顯得比較靈活簡單，界面比較友好。通過實時監(jiān)測得到的各種振動信號，可以更具需要靈活處理，同時進(jìn)行一系列的勢分析、資料列表、事件統(tǒng)計列表、報警事件列表、累計列表；顯示方式多樣。模塊二主要利用EN3800振動監(jiān)測分析系統(tǒng)。開放相應(yīng)的上位機(jī)軟件，進(jìn)行分析和診斷的過程，即為詳細(xì)分析診斷EN3800采集到的結(jié)果。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

此外，本系統(tǒng)硬件和軟件功能擴(kuò)展性極強(qiáng)，能夠根據(jù)用戶需要適當(dāng)調(diào)整，為用戶提供全面及時周到的服務(wù)。采用當(dāng)代最先進(jìn)的微電子技術(shù)，集成化程度高，體積小，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，安裝方便。提供數(shù)據(jù)分析功能，計算任一通道的最大值、最小值、平均值和報警次數(shù)等，為了解機(jī)組狀態(tài)的變化提供了有利手段。帶有RS-232及RS-485通訊接口，能夠直接與計算機(jī)和DCS系統(tǒng)通訊，可以滿足聯(lián)網(wǎng)的需要。

3 真空泵典型振動信號分析

3.1 實測典型振動信號分析

通過上述分析，我們對于新購置的一套真空泵的實測振動信號進(jìn)行分析，由于是新泵，其葉輪、泵體、主軸為不銹鋼材料，使用優(yōu)質(zhì)軸承，潤滑良好，所以在運(yùn)行過程中比較正常、平穩(wěn)。但是在在起車和停車過程中某一轉(zhuǎn)速下振動值超過振動標(biāo)準(zhǔn)，出現(xiàn)較大的振動，分析可能原因為轉(zhuǎn)子經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速時產(chǎn)生較大的共振。通過上述方法，捕捉到的異常振動波形，是正常運(yùn)行時出現(xiàn)的振動，時間2009年2月25日16：45開始，經(jīng)過波形分析，首先軸向位置發(fā)生了明顯變化，由0.05mm變化到0.09mm，約8分鐘后傳動端和非傳動端軸承的垂直振動、水平振動同時開始增加，與ISO 10816-3旋轉(zhuǎn)機(jī)器振動烈度標(biāo)準(zhǔn)相比，實際振動值超過正常值十幾倍左右，軸位移從0.09mm變化到0.14mm，該狀態(tài)持續(xù)時間4分20秒。在此過程中軸承振動有起伏，兩側(cè)軸承振動幅度下降到一定程度，而各個測量點振動幅度基本上不超標(biāo)，軸位置一直保持在0.12mm，之后兩側(cè)軸承振動幅值下降到一定水平（期間軸承振動有起伏），各測點的振動幅值基本上不超標(biāo)準(zhǔn)或超標(biāo)幅度較小，但軸位置始終保持在0.13mm，該過程的時間長度為3分鐘50秒，然后真空泵又出現(xiàn)較大振動，振動值是旋轉(zhuǎn)機(jī)器振動烈度標(biāo)準(zhǔn) 4到8倍，此時軸位置基本維持在0.14mm，持續(xù)時間2分鐘20秒。然后振動幅值開始顯著下降，但此時依然超過振動標(biāo)準(zhǔn)，軸位置保持0.14或0.15mm，約4分鐘后才開始進(jìn)入停車階段。

從上述振動分析結(jié)果來看，真空泵傳動側(cè)軸承的垂直與水平振動，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非傳動側(cè)的振動；約為3～4倍左右，同時真空泵主軸方向出現(xiàn)0.2mm左右的軸向向竄動。兩次振動階段的累積時間接近7分鐘，這對于真空泵的正常運(yùn)行顯得十分有害的。通過現(xiàn)場緊急停車仔細(xì)檢查真空泵發(fā)現(xiàn)，使電機(jī)輸出軸與真空泵主軸不平行，帶傳動不平穩(wěn)，真空泵產(chǎn)生較大振動的原因主要是電動機(jī)地腳螺絲松動。

在振動監(jiān)測中，困所監(jiān)測的真空泵是新安裝的，泵體材質(zhì)為不銹鋼，在幾個月的時間里不會形成葉片結(jié)垢、腐蝕等問題，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)出廠時經(jīng)過嚴(yán)格的動平衡，正常運(yùn)行中振動值較小，在安全范圍中，表明真空泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)沒有質(zhì)量偏心、質(zhì)量缺損、軸彎曲等機(jī)械故障。并且軸承也工作正常，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的升降速過程或降速過程是一種非平穩(wěn)過程，對其測試信號進(jìn)行分析需要用時頻分析方法。小波變換就是時頻分析方法的一種。

3.2 小波變換理論及其仿真

現(xiàn)在，小波分析已經(jīng)在科技信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域取得了令人矚目的成就。電子信息技術(shù)是六大高新技術(shù)中重要的一個領(lǐng)域，它的重要方面是圖象和信號處理?，F(xiàn)今，信號處理已經(jīng)成為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)工作的重要部分，信號處理的目的就是：準(zhǔn)確的分析、診斷、編碼壓縮和量化、快速傳遞或存儲、精確地重構(gòu)（或恢復(fù)）。從數(shù)學(xué)地角度來看，信號與圖象處理可以統(tǒng)一看作是信號處理（圖象可以看作是二維信號），在小波分析地許多分析的許多應(yīng)用中，都可以歸結(jié)為信號處理問題。現(xiàn)在，對于其性質(zhì)隨實踐是穩(wěn)定不變的信號，處理的理想工具仍然是傅立葉分析。但是在實際應(yīng)用中的絕大多數(shù)信號是非穩(wěn)定的，而特別適用于非穩(wěn)定信號的工具就是小波分析。

現(xiàn)有一分段信號

其產(chǎn)生的時域波形圖如圖2所示，利用db2小波對其進(jìn)行5層分解的得到各層逼近信號如圖2所示，5層分解得到的細(xì)節(jié)信號如圖3所示。

可以看到，原函數(shù)在t=1500處是連續(xù)且光滑的，其一階導(dǎo)數(shù)在此處連續(xù)，但二階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)，這導(dǎo)致小波在t=1500處發(fā)生劇烈的變化。由此可用小波找出二階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)點的位置，說明小波具有檢測到隱含在函數(shù)導(dǎo)數(shù)中的突變信息。

圖2 分段號時域波形

圖3 經(jīng)db2小波5層分解后各層逼近信號

綜上所述，在圖3中，近似信號a1～a5逐漸的將兩個正弦波分離出來，因此小波分解的逼近信號反映了所分解信號的大致輪廓概貌和發(fā)展趨勢。經(jīng)db2小波分解后的細(xì)節(jié)信號清晰的顯示出了該信號的頻率間斷，因此我們從這些信號上就能夠較好的判斷其信號突變點的出現(xiàn)時間和大概位置。這在我們對存在故障的復(fù)雜機(jī)械設(shè)備進(jìn)行瞬時沖擊信號檢測時提供了較為有力的幫助。而從對分段信號所作的頻域圖可以看出，我們只能僅僅知道該信號所含的大概頻率，而這只是平穩(wěn)信號所具有的頻率，我們不能夠從圖上得知整個信號變化的規(guī)律，同時也不知道信號發(fā)生突變的時間及位置。FFT不能同時顯示時間和頻率的譜圖，這就給具體的診斷過程帶來了不便。

由上可知，小波分析能更好的表示信號的全貌和發(fā)展趨勢，同時其在突變點監(jiān)測上的優(yōu)勢使其越來越多的應(yīng)用在了非平穩(wěn)沖擊信號的故障監(jiān)測當(dāng)中。而用FFT由于其在非平穩(wěn)沖擊信號分析中的不足，使得其應(yīng)用受到較大的局限，這就使得以小波分析為主要分析手段的時頻分析得到了普及。

4 結(jié)論

本文針對水環(huán)式真空泵，在理論和實踐上比較系統(tǒng)地研究了振動信號分析方法在真空泵狀態(tài)監(jiān)測的應(yīng)用，重點研究了真空泵狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及其工程應(yīng)用。通過對連續(xù)多個月振動信號數(shù)據(jù)的采集和分析，成功捕捉到了真空泵起車、停車以及運(yùn)行狀態(tài)下的異常振動特征。實踐證明振動信號分析方法為真空泵安全平穩(wěn)生產(chǎn)提供了保證。

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